Законы развития технических систем

Кинематика

К "кинематике" относятся законы, определяющие развитие технических систем независимо от конкретных технических и физических факторов, обусловливающих это развитие.

Закон

Закон увеличения степени идеальности системы Развитие всех систем идет в направлении увеличения степени идеальности.

Идеальная техническая система — это система, вес, объем, площадь и энергоемкость которой стремятся к нулю, хотя ее способность выполнять работу при этом не уменьшается. Иначе говоря, идеальная система — это когда системы нет, а функция ее сохраняется и выполняется.

Пример: Профессором одного Вашингтонского университета (Бабак Парвиз) было предложено интегрировать электронные схемы в контактные линзы. Мягкая контактная линза со встроенной электронной схемой будет с частотой раз в секунду замерять концентрацию глюкозы в слезной жидкости. Благодаря этому диабетики будут избавлены от необходимости колоть себе пальцы, чтобы брать кровь на анализ.

Идеализируются (свертываются) даже тюрьмы. В США ввиду переполненности тюрем в 35 штатах довольно широкое распространение получило содержание лиц, не совершивших тяжких преступлений, под домашним арестом, а для контроля их нахождения дома используются электронные средства. Средства контроля двух типов - активные и пассивные, соответственно за совершившими более или менее серьезные правонарушения. Активные средства представляют собой постоянно работающий передатчик, который вмонтирован в не снимающийся браслет, надеваемый на щиколотку ноги правонарушителя, а в его квартире устанавливаются радиоприемники, которые в произвольное время включаются и передают сигналы по телефонным каналам на ЭВМ в полицейском участке. Масса радиопередатчика 70 грамм. Для его извлечения из браслета требуется специальный инструмент, а при попытке разрезать или снять браслет радиопередатчик начинает излучать специальные сигналы. Прибор пассивного контроля включает ручной или ножной браслет и аппаратуру автоматического запроса.

Свертывание типографии: выбранная книга печатается в присутствии заказчика прямо в книжном магазине. Текст и иллюстрации считываются с оптического диска и за несколько минут распечатываются на лазерном принтере (около 10 тысяч печатных листов в минуту), а затем переплетаются на автоматической переплетной линии. ("Наука и жизнь", 1987, № 6, с.104).

Закон

Закон неравномерности развития частей системы Развитие частей системы идет неравномерно; чем сложнее система, тем не равномернее развитие ее частей.

Неравномерность развития частей системы является причиной возникновения технических и физических противоречий и, следовательно, изобретательских задач. Скорость развития центрального процессора компьютера не соизмерима со скоростью развития куллера, мыши и клавиатуры. Например, когда начался быстрый рост тоннажа грузовых судов, мощность двигателей быстро увеличилась, а средства торможения остались без изменения. В результате возникла задача: как затормозить, скажем, танкер водоизмещением 200 тыс. тонн. Задача эта до сих пор не имеет эффективного решения: от начала торможения до полной остановки крупные корабли успевают пройти несколько миль.

Закон

Закон перехода в надсистему Исчерпав возможности развития, система включается в надсистему в качестве одной из частей; при этом дальнейшее развитие идет на уровне надсистемы.

Когда-то в каждом доме была отдельная отопительная система — печь. Потом функция нагрева теплоносителя была передана в надсистему. Так возникла система центрального отопления, когда одна котельная отапливает несколько многоквартирных домов и строений, а в домах остались только устройства для теплоотдачи — батареи.

Если металлическую пластинку с одним коэффициентом линейного расширения соединить параллельно с пластинкой, имеющей другой коэффициент линейного расширения, получится биметаллическая пластинка (би-С со сдвинутыми характеристиками) с новым свойством - изгибаться при нагревании.

Объединяют в бисистемы и ТС с дополняющими друг друга характеристиками или функциями. Железобетон представляет собой объединение бетонной и стальной конструкций. Металлическая арматура хорошо работает на растяжение, а бетон — на сжатие. Их характеристики складываются, в результате железобетон хорошо сопротивляется обоим типам усилий. Кроме того, бетон предохраняет металл от коррозии.
Принтер объединяют со сканером. У такой бисистемы автоматически возникает ещё одна функция — копирование документов.

С появлением скоростных бронированных самолетов (результат блестяще разрешенного С.В. Илюшиным противоречия - броня как несущая нагрузку конструкция) развилась также и противоположная система - стали применяться бронебойные пули калибра 7,62 и 12,7 мм. Возникло новое сильное противоречие: для защиты от этих пуль нужна была броня толщиной 15 и 35 мм и весом 120 и 280 кг каждого квадратного метра соответственно. Самолет с таким "панцирем" не мог обладать нужной скоростью. Это противоречие разрешили переходом к би-системе: броню сделали из двух тонких листов с воздушным промежутком; пуля, ударив в первый лист, начинала кувыркаться, а то и ломалась о несимметричные контуры сделанной ею же пробоины, за первым листом шел второй, который пуля пробить уже не могла ("Техника и наука", 1986, № 1, с. 47).

Законы развития технических систем

"Статика" — законы, которые определяют начало жизни технических систем. Любая техническая система, возникающая в результате синтеза в единое целое отдельных частей, дает жизнеспособную систему. Существуют, по крайней мере, три закона, выполнение которых необходимо для того, чтобы система оказалась жизнеспособной.

Закон

Закон полноты частей системы Необходимым условием принципиальной жизнеспособности технической системы является наличие и минимальная работоспособность основных частей системы.

Каждая техническая система должна включать четыре основные части: двигатель, трансмиссию, рабочий орган и орган управления. Смысл закона заключается в том, что для синтеза технической системы необходимо наличие этих четырех частей и их минимальная пригодность к выполнению функций системы, ибо сама по себе работоспособная часть системы может оказаться неработоспособной в составе той или иной технической системы. Например, двигатель внутреннего сгорания, сам по себе работоспособный, оказывается неработоспособным, если его использовать в качестве подводного двигателя подводной лодки.

Закон можно пояснить так: техническая система жизнеспособна в том случае, если все ее части не имеют "двоек", причем "оценки" ставятся по качеству работы данной части в составе системы. Если хотя бы одна из частей оценена "двойкой", система нежизнеспособна даже при наличии "пятерок" у других частей. Аналогичный закон применительно к биологическим системам был сформулирован Либихом еще в середине 19-ого века ("закон минимума").

Из закона вытекает очень важное следствие.

Следствие

Чтобы техническая система была управляемой, необходимо, чтобы хотя бы одна ее часть была управляемой. "Быть управляемой" — значит менять свойства так, как это надо тому, кто управляет.

Закон

Закон "энергетической проводимости" системы Необходимым условием принципиальной жизнеспособности технической системы является сквозной проход энергии по всем частям системы.

Любая техническая система является преобразователем энергии. Отсюда очевидная необходимость передачи энергии от двигателя через трансмиссию к рабочему органу.

Передача энергии от одной части системы к другой может быть вещественной (например, вал, шестерни, рычаги и т.д.), полевой (например, магнитное поле) и вещественно-полевой (например, передача энергии потоком заряженных частиц). Многие изобретательские задачи сводятся к подбору того или иного вида передачи, наиболее эффективного в заданных условиях.

Важное значение имеет следствие из закона.

Следствие

Чтобы часть технической системы была управляемой, необходимо обеспечить энергетическую проводимость между частью и органами управления.

Закон

Закон согласования ритмики частей системы Необходимым условием принципиальной жизнеспособности технической системы является согласование ритмики (частоты колебаний, периодичности) всех частей системы.

Хорошо работают, а значит, и жизнеспособны только системы, в которых вид колебаний подобран так, что части системы не мешают друг другу и наилучшим способом выполняют полезную функцию.

* * *

Закон

Идеальная техническая система — это система, вес, объем и площадь которой стремятся к нулю, хотя ее способность выполнять работу при этом не уменьшается. Иначе говоря, идеальная система — это когда системы нет, а функция ее сохраняется и выполняется.

Несмотря на очевидность понятия "идеальная техническая система", существует определенный парадокс: реальные системы становятся все более крупноразмерными и тяжелыми. Увеличиваются размеры и вес самолетов, танкеров, автомобилей и т.д. Парадокс этот объясняется тем, что высвобожденные при совершенствовании системы резервы направляются на увеличение ее размеров и, главное, повышение рабочих параметров. Первые автомобили имели скорость 15-20 км/ч. Если бы эта скорость не увеличивалась, постепенно появились бы автомобили, намного более легкие и компактные с той же прочностью и комфортабельностью. Однако каждое усовершенствование в автомобиле (использование более прочных материалов, повышение КПД двигателя и т.д.) направлялось на увеличение скорости автомобиля и того, что "обслуживает" эту скорость (мощная тормозная система, прочный кузов, усиленная амортизация). Чтобы наглядно увидеть возрастание степени идеальности автомобиля, надо сравнить современный автомобиль со старым рекордным автомобилем, имевшим ту же скорость (на той же дистанции).

Видимый вторичный процесс (рост скорости, мощностей, тоннажа и т.д.) маскирует первичный процесс увеличения степени идеальности технической системы. Но при решении изобретательских задач необходимо ориентироваться именно на увеличение степени идеальности — это надежный критерий для корректировки задачи и оценки полученного ответа.

Закон

Неравномерность развития частей системы является причиной возникновения технических и физических противоречий и, следовательно, изобретательских задач. Например, когда начался быстрый рост тоннажа грузовых судов, мощность двигателей быстро увеличилась, а средства торможения остались без изменения. В результате возникла задача: как затормозить, скажем, танкер водоизмещением 200 тыс. тонн. Задача эта до сих пор не имеет эффективного решения: от начала торможения до полной остановки крупные корабли успевают пройти несколько миль…

Закон

Один из путей такого перехода: технические системы объединяются с образованием би- полисистемы. Объединение систем в надсистему (НС) "выгодно" для технической системы:

· часть функций передается в надсистему (например, ремонт телевизоров в одной мастерской);

· часть подсистем выводятся из технической системы, объединившись в одну становятся частью надсистемы (коллективная антенна вместо десятков индивидуальных);

· у объединенных в надсистеме технических систем появляются новые функции и свойства…

"Динамика".

Включает законы, отражающие развитие современных технических систем под действием конкретных технических и физических факторов. Законы "статики" и "кинематики" универсальны, — они справедливы во все времена и не только применительно к техническим системам, но и к любым системам вообще (биологическим и т.д.). "Динамика" отражает главные тенденции развития технических систем именно в наше время.

Закон

Закон перехода с макроуровня на микроуровень Развитие рабочих органов системы идет сначала на макро-, а затем на микроуровне.

В большинстве современных технических систем рабочими органами являются "железки", например, винты самолета, колеса автомобиля, резцы токарного станка, ковш экскаватора и т.д. Возможно развитие таких рабочих органов в пределах макроуровня: "железки" остаются "железками", но становятся более совершенными. Однако неизбежно наступает момент, когда дальнейшее развитие на макроуровне оказывается невозможным.

Переход с макро- на микроуровень — одна из главных (если не самая главная) тенденций развития современных технических систем.

Закон

Закон увеличения степени вепольности Развитие технических систем идет в направлении увеличения степени вепольности.

Смысл этого закона заключается в том, что невепольные системы стремятся стать вепольными, а в вепольных системах развитие идет в направлении перехода от механических полей к электромагнитным; увеличение степени дисперсности веществ, числа связей между элементами и отзывчивости системы, ярким примером этого закона является эволюция компьютерной мыши, где «шарик» заменился оптическим лазером.

Законы развития технических систем

Поиск по сайту